造过程的资源消耗和环境影响介绍

引言
   
    产品制造过程是一个将制造资源（物料、能源等）转变为产品或半成品的资源增殖过程，但是，制造过程在将制造资源转变为产品或半成品的加工过程中，也同时产生了资源消耗和环境影响两大副作用问题。
   
    产品制造过程资源消耗和环境影响问题的研究引起了国内外的广泛关注．美国麻省理工学院Gutowski T教授分析了机械加工过程中的环境影响和资源消耗的各种因素和状况，提出了一种对机械加工过程环境负荷进行测定的方法．目前的研究主要侧重于对资源的优化利用和对制造过程产生的环境影响评价方法的研究，缺乏对制造过程输入资源与环境影响输出之间关联性分析的研究，难以有效地确定环境问题产生的根源．
   
    1 制造过程资源消耗和环境影响分析模型
   
    1.1基于啪图的产品制造过程模型
   
    产品制造过程是由一系列的工序环节（每个工序也是一个具体工艺过程）组成，包括毛坯成形、零件机械加工、材料改性与处理、装配调试等制造阶段．每个工艺过程都可以看作为一个输入-处理-输出的单元过程，而制造过程则可以看作是由一系列工艺IPo过程组成的工艺过程链，即一个更大的输入．处理．输出过程，如图1所示．

    图l所示的制造过程构成模型描述了制造过程的功能作用，即输出产品或半成品，且不断伴随着各方面有形的和无形的副产品输出．制造过程的输入资源主要是指物料资源，包括物料（原材料、坯件、半成品等）、能源、设备等；输出主要是合格产品、环境排放等，其中环境排放是一些有形无形的副产品，包括：1）固体废弃物：
   
    如下料车间的边角余料、切削过程的切屑等；2）液体废弃物：如冷却液，润滑液泄露等；3）气体废弃物：如冷却液烟雾等；4）噪声；5）其他（如温度上升、振动产生等）自润滑轴承．
   
    基于制造过程的工艺链及其输人输出关系图，可以将复杂的制造过程分解为一系列的工艺单元，在对单个制造工艺的资源消耗和环境影响分析的基础上，建立一种产品制造过程输入和输出之间的关联性模型．

    1.2产品制造过程资源消耗和环境影响分析数学模型
   
    1.2.1单个工艺资源消耗和环境影响分析的数学模型单独考虑制造过程某个加工工艺的资源消耗和环境影响关系，可建立图2所示的示意图．

    图2中共有m个输入量，从M1到Mm，以及m+n个输出量，M1*至Mm*和y1至yn。在输出量中，M1*至Mm*保持原来的物质形态，y1至yn是在工艺过程中生成的新物质．这种工艺过程输入和输出关系可用表1来进一步描述．

    表的左列表示工艺过程的物料输入量，顶行表示物料输出量，其它元素描述的是从输入到输出的物料流，如Z12表示从材料M1到材料M2的物料流，W1n表示材料M1新产生的物质Yn的物料流。假定工艺过程的输入和输出之间有一定的线性关系，基于物质守恒定律，则有

    在工艺条件不变的情况下，aij，bij固定不变，基于上述式子，可得#p#分页标题#e#

 

    式（3）可写成矩阵形

    其中

    A和B是工艺过程中的技术矩阵，矩阵A描述在工艺输出中物质形态没有变化的系数矩阵，矩阵B表示工艺输出中产生了新物质的系数矩阵．A是一个方阵，在工艺过程输入量数目和形式不变的情况下，（I-A）是非奇异的，则输入量X可根据输出l，表示为：

    式（5）具有特殊的意义，通常对于环境产生影响的排放物出现在矢量l，中，可以通过改变工艺的输入来降低这些环境排放物的影响．
   
    1．2．2产品制造过程的资源消耗和环境影响分析模型产品制造的整个过程资源消耗和环境影响的分析，则可在工序层次上的物料输入输出集成的基础上进行．以制造过程中的两个加工工艺集成为例进行说明，如图3所示．

    根据式（3）可得这两个工艺过程的物料平衡关系
   
    集成的输入量X和输出量l，定义为

    式（6）、（7）组合后可化为

    集成的技术系数定义为

    集成的制造过程输入输出分析模型为

 

    上述过程说明，产品制造过程可在各单个工艺输入输出分析模型的基础上进行集成，建立整个制造过程的输入输出模型．同样，应用这些模型及其间的相互联系，可对生产系统，甚至整个制造企业输入输出的关联性进行分析．

    2 案例应用
   
    某阀门制造厂电动截止阀的阀体制造过程流程如下：原材料一毛坯一机加工一热处理一装配一检验．以阀体的毛坯制造和机加工工艺为例进行分析．这两道工艺过程的输入输出如下图4、图5所示．

    根据各工艺过程的输入一处理输出示意图，根据从一个阀体制造过程中获得的数据，建立了如表2，表3所示的工艺输入输出数据表．

    阀体加工过程中毛坯加工和机加工集成的输入矢量X和输出矢量y表示如下#p#分页标题#e#

    基于方程式（1）一（4），将表2和表3中的数据分别代人（2）和（4）可求得这两个工艺的技术系数矩阵，如下所示

    应用方程式（6）～（11）及A1，B1，A2，B2，就可以计算出集成技术系数矩阵和这两道工艺输入输出关系的数学方程，结果如下

 

    在上述方程式的基础上，可以探索出各种可以减少环境排放量的方法，促使制造过程朝着零排放的方向发展．如要将生产过程中废弃物和切削的产生量各减少25％，20％，矢量Y从[16，9，0．1，0．25，1．5，12]τ改变成[12，9，0．1，0.25，1.5，9.6]τ，根据上式，矢量X应从[310.55，1.626，0.098，2.507，294.795，4.934，0.288，0.156]τ，变成[239.31，1.626，0.086，2.507，238.107，4.934，0.2688，0.156]τ．根据上述计算，可以通过改变毛坯的输入量来极大的减少切屑和废弃物，因此，可将传统的铸造、自由锻改为模锻或者是液态模锻等精密的毛坯制造方法，从而提高毛坯的制造精度，减少机加工切削量，使得机加工输出的废弃物、切屑等大大减少．
   
    3 结论
   
    产品制造过程是产品全生命周期过程中产生资源消耗和环境影响的重要环节．在制造过程的各个环节都有产生环境影响问题的可能，从制造资源的输入开始，对可能产生的环境问题事先进行分析预测，为利用资源减量化来减少制造过程中的环境影响提供支持．本文建立了基于鹏模型的产品制造过程工艺链的框架模型，提出了一种对制造工艺资源消耗和环境影响之间关联性进行分析的方法，在对单个工艺进行分析的基础上，集成各加工工艺输入和输出，建立了制造过程输入和输出之间的关联性模型．该模型能够对制造过程资源流和环境影响之间的关系进行描述，通过对模型中的输入输出进行对照分析，达到改进输入，抑制环境排放流输出的目的，从源头上减少制造过程环境排放量．